Gebiet der Erfindung:
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Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur
Gasphasenzüchtung einer dünnen Schicht eines
Siliziumeinkristalls auf einem
Siliziumeinkristallsubstrat. Im speziellen bezieht sich
diese Erfindung auf eine Umgebung, die für die
Gasphasenzüchtung einer dünnen Schicht eines
Siliziumeinkristalls vorbereitet wird.
Beschreibung des bisherigen Stands der Technik:
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Bis jetzt wurde bei der Gasphasenzüchtung einer dünnen
Schicht eines Siliziumeinkristalls auf einem
Siliziumeinkristallsubstrat die Temperatur des
Substrats in einer Wasserstoffgasumgebung erhöht. Wenn
das Siliziumeinkristallsubstrat zum Beispiel von einer
vorhergehenden Kammer, deren Luftumgebung vorher durch
eine Umgebung aus Stickstoffgas ersetzt wird, in ein
Reaktionsgefäß mit einer Temperatur von annähernd 900
ºC transportiert wird, wird dieses
Siliziumeinkristallsubstrat in einer
Wasserstoffgasumgebung auf eine gewünschte
Ätztemperatur erhitzt, wie in Fig. 6 gezeigt wird.
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Danach wird Chlorwasserstoffgas in das Reaktionsgefäß
eingeleitet und in der Folge dazu verwendet, um die
Oberfläche des Siliziumeinkristallsubstrats zu ätzen,
und ein Nährgas wird ebenfalls hineingeleitet, um die
Gasphasenzüchtung einer dünnen Schicht eines
Siliziumeinkristalls mit einer erwünschten Dicke
einzuleiten. Nachdem die Gasphasenzüchtung
abgeschlossen ist, wird das Aufheizen gestoppt und das
Innere des Reaktionsgefäßes abgekühlt, bevor das
Substrat, auf dem die Gasphasenzüchtung einer dünnen
Schicht eines Siliziumeinkristalls (hier in der Folge
als "Epiwafer" bezeichnet) erfolgt ist, aus dem
Reaktionsgefäß entnommen wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Bei dem herkömmlichen Verfahren für diesen Grundvorgang
besteht jedoch die Möglichkeit, daß eine winzige
Welligkeit (kleine Hügel und Täler), die sogenannte
Mikrorauhigkeit, in einem großen Bereich der Oberfläche
des Epiwafers entsteht. Wenn die Oberfläche des
Epiwafers unter einem fokussierten Lichtstrahl in einer
Dunkelkammer beleuchtet wird, wird das einfallende
Licht durch den Bereich mit hoher Mikrorauhigkeit
diffus gestreut und erscheint als "Wolke" oder "Nebel".
Im Idealfall weist die Oberfläche des Epiwafers
keinerlei Mikrorauhigkeit auf.
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Wenn zum Ätzen der Oberfläche eines
Siliziumeinkristallsubstrats Chlorwasserstoffgas
verwendet wird, verursacht dieses Ätzen Probleme,
welche die Herstellung eines Epiwafers beeinträchtigen,
wie die Korrosion im Inneren eines Speichertanks, eines
Zufuhrrohrs und eines Ofens, und aufgrund der Korrosion
schließlich zu einer Metallverunreinigung des
Siliziumeinkristallsubstrats sowie einer zusätzlichen
Ätzung der Oberfläche des Siliziumeinkristallsubstrats
durch das Chlorwasserstoffgas, das während der
Gasphasenzüchtung einer dünnen Schicht eines
Siliziumeinkristallsubstrats verbleibt, führen und in
der Folge Selbstdotierung begünstigen.
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Ein Ziel dieser Erfindung, die im Hinblick auf den
obenerwähnten bisherigen Stand der Technik gemacht
wurde, ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur
Gasphasenzüchtung, wie es in Anspruch 1 und 2
beschrieben wird, das die fehlerlose Herstellung eines
Epiwafers mit einer glatten Oberfläche ohne
Mikrorauhigkeit ermöglicht und bei dem außerdem das
Ätzen des Siliziumeinkristallsubstrats durch ein
anderes Verfahren als das herkömmliche Verfahren
mittels Chlorwasserstoffgas vorgenommen wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Erfindung wird besser verständlich und ihre Ziele,
Aspekte und Eigenschaften außer den bereits oben
beschriebenen werden durch die Betrachtung der
folgenden detaillierten Beschreibung klar ersichtlich
werden. Diese Beschreibung bezieht sich auf die
Zeichnungen im Anhang, wobei:
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Fig. 1 ein erläuterndes Prozeßablaufdiagramm ist, das
eine erfindungsgemäße Ausführungsform zeigt.
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Fig. 2 ein erläuterndes Diagramm ist, das eine
Vorrichtung zur Gasphasenzüchtung zeigt, die in der
ersten Ausführungsform verwendet wird.
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Fig. 3 eine schematische Darstellung ist, die das
Ausmaß der Mikrorauhigkeit zeigt, die auftritt, wenn
eine Argongasumgebung bei 900ºC in einem
Reaktionsgefäß beim Aufheizprozeß durch eine
Wasserstoffgasumgebung ersetzt wird.
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Fig. 4 eine schematische Darstellung ist, die das
Ausmaß der Mikrorauhigkeit zeigt, die auftritt, wenn
eine Argongasumgebung bei 1000ºC in einem
Reaktionsgefäß beim Aufheizprozeß durch eine
Wasserstoffgasumgebung ersetzt wird.
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Fig. 5 eine schematische Darstellung ist, die das
Ausmaß der Mikrorauhigkeit zeigt, die auftritt, wenn
eine Argongasumgebung bei 1100ºC in einem
Reaktionsgefäß beim Aufheizprozeß durch eine
Wasserstoffgasumgebung ersetzt wird.
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Fig. 6 ein erläuterndes Prozeßablaufdiagramm ist, das
ein herkömmliches Verfahren zur Gasphasenzüchtung
zeigt.
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Fig. 7 ein erläuterndes schematisches Diagramm ist, das
darstellt, in welcher Weise die native Oxidschicht und
ein Siliziumeinkristallsubstrat durch Ätzen mit
Wasserstoffgas entfernt werden; (a) durch Ätzen bei
ungefähr 1100ºC und (b) durch Ätzen bei ungefähr 900
ºC.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORM
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Die Phase des Aufheizens in einer Inertgasumgebung wird
fortgesetzt, bis die Temperatur eine Höhe erreicht hat,
die für die Entfernung der nativen Oxidschicht, die auf
der Oberfläche des Siliziumeinkristallsubstrats durch
das Ätzen mit Wasserstoffgas gebildet wird, geeignet
ist. Mit der obigen Phase wird vorzugsweise bei einer
Temperatur von weniger als 800ºC begonnen.
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Bei der geeigneten Temperatur für die Entfernung der
nativen Oxidschicht durch das Ätzen mit Wasserstoffgas
macht die durch das Wasserstoffgas verursachte Ätzrate
der nativen Oxidschicht nicht weniger als 1/10 der
Ätzrate des Siliziumeinkristalls aus. Genau gesagt ist
die Temperatur zum Beispiel nicht niedriger als 950ºC
und nicht höher als 1190ºC.
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Das Inertgas, das sich für die Verwendung eignet, ist
eine Gasart, die aus der Gruppe bestehend aus Helium,
Neon, Argon, Krypton und Xenon oder einem Edelgas, das
aus zwei oder mehr Gasen dieser Gruppe gemischt wird,
ausgewählt wird.
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Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat nach der
Ursache für das Auftreten von Mikrorauhigkeit gesucht
und in der Folge entdeckt, daß beim Ätzen einer nativen
Oxidschicht (SiO&sub2;) mit einer Dicke von ungefähr 1,5 nm
auf der Oberfläche eines Siliziumeinkristallsubstrats
während des Aufheizens des Siliziumeinkristallsubstrats
in einer Umgebung aus Wasserstoffgas kleine Grübchen
auftreten, wie in Fig. 7 (b) gezeigt wird, und die
Oberfläche des Siliziumeinkristallsubstrats 11 in der
Folge von einem Abschnitt 13 aus, wo eine native
Oxidschicht 12 vollständig entfernt wurde, geätzt wird
und daraufhin einen Abschnitt darin bildet, der tief
mit dem Wasserstoffgas angeätzt ist, und einen
Abschnitt, der niedrig damit angeätzt ist, und dies
schließlich zur Bildung einer Welligkeit 14 (kleiner
Hügel und Täler) auf der Oberfläche des
Siliziumeinkristallsubstrats 11 führt.
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Wenn die native Oxidschicht 12 in einer
Wasserstoffumgebung auf eine Temperatur von nicht
weniger als etwa 800ºC aufgeheizt wird, wird sie durch
den Wasserstoff geätzt, ohne daß Chlorwasserstoffgas
verwendet wird. Bei Temperaturen im Bereich von
ungefähr 800ºC bis 900ºC wird die native Oxidschicht
12 nicht vollständig von der gesamten Oberfläche des
Siliziumeinkristallsubstrats 11 entfernt. In dieser
Ätzumgebung ist die Oberfläche des Substrats 11 in zwei
Abschnitte unterteilt; in einem Abschnitt geht das
Ätzen der nativen Oxidschicht rasch voran, und die
Oberfläche des Siliziumeinkristallsubstrats 11 wird der
Wasserstoffumgebung schnell ausgesetzt, und im anderen
Abschnitt geht das Ätzen nicht so schnell vor sich.
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Die Ätzrate von Wasserstoff bei ungefähr 900ºC beträgt
zum Beispiel ungefähr 0,7 in/min für das
Siliziumeinkristallsubstrat und ungefähr 0,05 in/min
für die native Oxidschicht. Anders ausgedrückt ist die
Ätzrate des Siliziumeinkristallsubstrats, das
Wasserstoff ausgesetzt ist, ungefähr 14 Mal höher als
bei der nativen Oxidschicht. In diesem Fall wird, wenn
die Oberfläche des Siliziumeinkristallsubstrats 11
teilweise freiliegt, der freiliegende Abschnitt bei
einer Ätzrate geätzt, die ungefähr 14 Mal höher ist als
die Ätzrate der nativen Oxidschicht 12. Daher wird das
unvollständige Ätzen der nativen Oxidschicht 12 so sehr
verstärkt, daß es zur Welligkeit 14 kommt. Diese
Welligkeit 14 verursacht die Mikrorauhigkeit.
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Im speziellen Fall, wenn das
Siliziumeinkristallsubstrat in das Reaktionsgefäß
transportiert wird, in dem sich eine
Wasserstoffumgebung bei einer Temperatur von etwa
900ºC befindet, was die Temperatur darstellt, bei der
die Unebenheit der Oberfläche aufgrund des
Wasserstoffätzens der nativen Oxidschicht verstärkt
wird, wie dies bei herkömmlichen Verfahren beobachtet
wird, so kommt es unvermeidlich zu Mikrorauhigkeit, da
die Zeitdauer, bei der die Temperatur bei ungefähr
900ºC gehalten wird, bevor der Aufheizprozeß beginnt,
sich in der Folge verlängert.
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Im Unterschied dazu beträgt die Ätzrate der nativen
Oxidschicht mit Wasserstoff bei einer Temperatur von
annähernd 1100ºC ungefähr 1 nm/min. dieser Wert ist
etwa 20 Mal höher als bei einer Temperatur um die 900
ºC, und die Ätzrate ist etwa gleich hoch wie beim
Siliziumeinkristallsubstrat.
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Bei einer Temperatur im Bereich von ungefähr 800ºC bis
900ºC wird daher die Temperatur des
Siliziumeinkristallsubstrats in einer Inertgasumgebung
gesteigert, um die sonst mögliche Entfernung der
nativen Oxidschicht zu verhindern. Das Wasserstoffgas
wird erst bei einer Temperatur um die 1100ºC, d. h. der
Temperatur, die für das Entfernen der nativen
Oxidschicht auf der Oberfläche des
Siliziumeinkristallsubstrats mittels Wasserstoffgas
geeignet ist, eingeleitet, um mit dem
Siliziumeinkristallsubstrat in Kontakt zu kommen. In
der Folge wird die native Oxidschicht auf der
Oberfläche des Siliziumeinkristallsubstrats rasch von
dem gesamten Oberflächenbereich entfernt. Da bei einer
Temperatur von annähernd 1100ºC die Ätzrate von
wasserstoffgas bei der nativen Oxidschicht und dem
Siliziumeinkristallsubstrat im wesentlichen gleich hoch
ist, wird die Ungleichmäßigkeit des Ätzens der nativen
Oxidschicht auf der Oberfläche des Substrats nicht
verstärkt, wie in Fig. 7 (a) gezeigt wird, und die
Mikrorauhigkeit kann dadurch nicht erhöht werden.
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Im Anschluß wird eine Ausführungsform dieser Erfindung
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen
beschrieben.
Beispiel:
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Fig. 1 zeigt ein Verfahren zur Herstellung einer dünnen
Schicht eines Siliziumeinkristalls gemäß dem
erfindungsgemäßen Verfahren zur Züchtung in der
Gasphase. In dieser Ausführungsform wird eine
Kaltwandvorrichtung zur Züchtung in der Gasphase, wie
in Fig. 2 gezeigt wird, verwendet, um eine dünne
Schicht 2 aus Siliziumeinkristall (hier in der Folge
als "Dünnschicht 2" bezeichnet) auf der Oberfläche
eines Siliziumeinkristallsubstrats 1 (hier in der Folge
als "Substrat 1" bezeichnet) in der Gasphase zu
züchten.
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Die obenerwähnte Vorrichtung zur Gasphasenzüchtung ist
eine waagrechte Vorrichtung zur Gasphasenzüchtung für
einen Wafer, die, wie in Fig. 2 gezeigt wird, mit einem
Reaktionsgefäß 3 aus transparentem Quarzglas, einer
Infrarotstrahlungsheizungslampe 4 außerhalb des
Reaktionsgefäßes 3, einer Gaseinlaßöffnung 5 für ein
zur Gasphasenzüchtung verwendbares Gas 8, einer
Gasauslaßöffnung 6 und einem Schieberventil 7
ausgestattet ist.
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Für die Herstellung der Dünnschicht 2 wird das Substrat
1 zuerst von einer vorhergehenden Kammer (nicht
abgebildet), die eine Stickstoffumgebung enthält, durch
das Schieberventil 7 in das Reaktionsgefäß 3
tranportiert, das bei etwa 700ºC kühl gehalten wird,
und wird dann waagrecht innerhalb des Reaktionsgefäßes
3 plaziert. Das Innere des Reaktionsgefäßes wird vorher
durch Argongas ersetzt. Der Vorgang zum Aufheizen des
Substrats 1 beginnt, sobald das Substrat 1 im
Reaktionsgefäß 3 plaziert ist.
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Um geeignete Bedingungen für die Oberflächen des
Substrats 1 und der Dünnschicht 2 beizubehalten, ist es
nötig, das Innere des Reaktionsgefäßes 3 unter einer
Argongasumgebung zu halten, bis die Temperatur auf
annähernd 1100ºC aufgeheizt ist. Eine große Menge
Argongas zu verwenden ist jedoch teurer als
Wasserstoffgas.
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In einem Experiment, bei dem das Innere des
Reaktionsgefäßes 3 während des Aufheizvorgangs auf 900
ºC, 1000ºC und 1100ºC in der Argongasumgebung durch
eine Wasserstoffumgebung ersetzt wurde, wurden die
Bedingungen für das Auftreten von Mikrorauhigkeit bei
den verschiedenen Temperaturen verglichen, um die
spezifische Temperatur herauszufinden, bei der das
Innere des Reaktionsgefäßes 3 während des
Aufheizvorgangs unter einer Argongasumgebung gehalten
werden muß.
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Zuerst wurde der Aufheizvorgang in der Argongasungebung
unmittelbar nach Beendigung des Transports des
Substrats 1 in das Reaktionsgefäß 3 begonnen und
fortgesetzt, bis die nötigen Temperaturbedingungen
erreicht waren. Daraufhin wurde das Innere des
Reaktionsgefäßes 3 durch eine Wasserstoffgasumgebung
ersetzt. In dem vorliegenden Experiment wurden die
Bedingungen für erhöhte Mikrorauhigkeit erhalten, indem
das Substrat 13 Minuten lang unter den nötigen
Temperaturbedingungen gehalten wurde.
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Danach wurde das Substrat 1 zwei Minuten lang bei 1100
ºC in der Wasserstoffgasumgebung gehalten, um die
native Oxidschicht vollständig zu entfernen. Daraufhin
wurde die Dünnschicht 2 mit Trichlorsilan als
Ausgangsgas in einer Dicke von ungefähr 6 um bei einer
Temperatur von 1100ºC über einen Zeitraum von 2
Minuten gezüchtet.
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Die Oberfläche der Dünnschicht 2, die gemäß dem
vorliegenden Experiment gezüchtet wurde, wurde mit
einem Atom-Kraft-Mikroskop betrachtet. Die Ergebnisse
sind in den Diagrammen in Fig. 3 bis Fig. 5
dargestellt. Aus dem Diagramm in Fig. 3 wird
ersichtlich, daß das Substrat tief angeätzt war und die
Mikrorauhigkeit merklich stark auftrat, wenn das Innere
des Reaktionsgefäßes 3 bei 900ºC durch eine
Wasserstoffgasumgebung ersetzt wurde. Im Unterschied
dazu wurde bei den Temperaturen von 1000ºC und 1100ºC
praktisch kein Anzeichen von Ätzung auf der Oberfläche
des Substrats beobachtet, wie die Daten in Fig. 4 und
Fig. 5 zeigen.
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In einer weiterführenden Studie auf der Grundlage der
Ergebnisse des vorliegenden Experiments wurde entdeckt,
daß die Mikrorauhigkeit auftrat, wenn das Innere des
Reaktionsgefäßes 3 bei einer Temperatur im Bereich von
ungefähr 800ºC bis 900ºC durch eine
Wasserstoffgasumgebung ersetzt wurde. Weiters wurde
herausgefunden, daß das Auftreten von Mikrorauhigkeit
verhindert werden konnte, solange die Temperatur für
den Übergang von einem Inertgas zu Wasserstoff nicht
weniger als 950ºC betrug, so daß die Ätzrate der
nativen Oxidschicht durch Wasserstoffgas mehr als 1/10
der Ätzrate des Siliziumeinkristalls ausmachte, Wenn
die Temperatur des Siliziumeinkristallsubstrats jedoch
1190ºC übersteigt, treten nachteilige Phänomene wie
Selbstdotierung und Gleitung auf, die nicht mehr
ignoriert werden können.
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Die vorliegende Ausführungsform beschäftigt sich mit
der Verwendung von Argongas als Inertgas. In dieser
Erfindung muß das Inertgas nicht unbedingt Argongas
sein, sondern kann aus der Gruppe bestehend aus Helium,
Neon, Krypton und Xenon oder einem Edelgas, das aus
zwei oder mehr Gasen dieser Gruppe gemischt ist,
ausgewählt werden. Stickstoff kann ebenfalls als
Inertgas verwendet werden, es muß jedoch auf Versticken
geachtet werden.
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Aus der obigen Beschreibung wird klar ersichtlich, daß
mit dem Verfahren zur Gasphasenzüchtung dieser
Erfindung ein Epiwafer mit einer glatten Oberfläche
ohne Mikrorauhigkeit hergestellt werden kann, da das
Siliziumeinkristallsubstrat in einer Inertgasumgebung
auf eine Temperatur von mehr als 800 oder 900ºC
erhitzt wird, um zu verhindern, daß die native
Oxidschicht ungleichmäßig geätzt wird.
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Weiters können durch dieses Verfahren die Probleme der
Metallverunreinigung auf der Oberfläche des Substrats
und der Selbstdotierung ausgeschlossen werden, die bei
der Verwendung von Chlorwasserstoffgas auftreten.